MATLAB在专用线危险品装卸区安全评价中的应用

杨 波，徐 姣

（中国地质大学 (武汉)工程学院，湖北 武汉 430074）

1 研究背景

铁路专用线 (含专用铁路，以下简称专用线) 是由企业或其他单位管理的与国家铁路或其他铁路线接轨的岔线，在我国铁路货运中发挥着重要作用。目前，全国铁路油品装卸专用线数量众多，易燃易爆危险品的运输安全是铁路部门安全监管的重要方面，其装卸区安全也是企业安全管理的重点。鉴于易燃易爆危险品在装卸过程中具有事故多发性，对其安全状况进行客观评价，有助于及时发现隐患，找出安全控制重点，以便采取措施，预防事故的发生，同时也有助于调动工作人员保安全的积极性和主动性，增强安全责任和意识，有效加强各接轨车站对专用线的监督管理。

目前，对专用线运输和装卸危险化学品的安全评价理论已经比较成熟，从评价过程和评价重点可以看出，在专用线危险化学品的装卸作业过程中，火灾爆炸是最大的安全隐患，也是安全评价的关键点。鉴于目前主要采用道化学法 (第七版) 对火灾爆炸危险性进行评价，而对火灾爆炸事故后果模拟主要采用爆源的 TNT 当量计算模型进行分析，根据大量专用线安全现状评价实践，这两种方法还存在一些弊端和不足。

（1）两种方法在评价过程中程序比较烦琐，而且存在较多的数学运算。

（2）最终结果只有一个数据，在进行分析时需要对数据进行比较，不直观。

（3）不利于直观与迅速地判断事故后果的伤害区域，不利于企业查阅和制定安全措施。

（4）目前已开发出多款道化学计算软件，但TNT 当量计算模型较少。

因此，有必要对 TNT 当量计算模型的使用进行改进。随着计算机技术的发展，计算机辅助量化风险已成为风险评价的一个重要手段。通过在分析某公司提供的专用线易燃易爆危险品的危险性基础上，利用 MATLAB 软件编程，对易燃易爆液体蒸气云爆炸后果进行模拟，得出死亡半径，并将结果用各种图形表示。同时也证明 MATLAB 在专用线易燃易爆危险品装卸区安全评价中具有一定的计算和分析优势，可以有效减少计算工作量，缩短评价周期，提高评价效率[1]。

2 易燃易爆危险品装卸危险性分析

2.1 危险品理化性质

某公司专用线运输物质为甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液，三者均为易燃易爆液体，了解其理化性质是进行安全评价的必要前提。

（1）甲醇。甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，铁危编号为 32058，属于第 3.1类低闪点易燃液体。甲醇常温下对金属无腐蚀性(铅、铝除外)，略有酒精气味。其分子量为32.04，相对密度为 0.793 g/m3(20/4℃)，熔点为 -97.8℃，沸点为 64.5℃，燃烧热为 725.76 kJ/mol，闪点为12.22℃，自燃点为 463.89℃，蒸气密度为 1.11g/m3，蒸气压为13.33 kPa (100 mmHg，21.2℃)，蒸气与空气混合物爆炸极限为 6%～36.5% (体积比)，能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧。甲醇易燃，其蒸气与空气能形成爆炸混合物，甲醇完全燃烧生成二氧化碳和水蒸汽，同时放出热量。

（2）丙烯酸甲酯。丙烯酸甲酯是一种有类似大蒜气味的无色易燃透明液体，铁危编号为 32146，属于第3.1类中闪点易燃液体。丙烯酸甲酯微溶于水，用于聚丙烯腈纤维的第二单体，胶粘剂等。其相对密度 (水＝1) 为 0.95g/m3，熔点为 -75℃，沸点为 80℃，饱和蒸气压为 13.33 kPa/28℃，闪点为 -3℃，引燃温度为 468℃，稳定，爆炸下限为1.2 V%，爆炸上限为 25.0 V%，禁忌物为酸类、碱类、强氧化剂。丙烯酸甲酯蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，与氧化剂能发生强烈反应，容易自聚，聚合反应随着温度的上升而急骤加剧。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。

（3）甲醛溶液。甲醛溶液的铁危编号为83012，属于一种具有强烈气味的无色液体。其主要用于塑料工业 (如制酚醛树脂、脲醛塑料——电玉)、合成纤维 (如聚乙烯醇缩甲醛——合成维尼纶)、皮革工业、医药、染料等。甲醛溶液有刺激性气味，蒸气有窒息性，液体比重为 1.09，闪点为50℃，熔点为 -118℃，沸点为 -19.5℃，相对密度(水＝1) 为1.083 g/m3，爆炸下限为 7 V%，爆炸上限为 73 V%，自燃温度为 300℃，易溶于水，有腐蚀性，能灼伤皮肤，刺激眼睛和黏膜，易聚合。

2.2 危险品装卸作业的危险性分析

（1）接卸作业流程。接卸作业采用栈桥、液下鹤管，当重罐车到达货位并做好防溜防护后，专用线装卸人员进行检车、取样分析，检验合格后将鹤管插入铁路罐车内，启动卸车泵，按操作规程进行卸车。

（2）装车作业流程。装车作业采用栈桥、液下鹤管，当空罐车到达货位并做好防溜防护后，专用线装卸人员检查车辆，确保罐车内各项设施齐全完好，车内清洁无杂物，管道畅通清洁，符合要求后启动装车泵，按操作规程将物料送入罐车。

（3）易燃易爆液体 (罐车) 具体装卸作业流程。计划车辆进线对位、设置防护→人员、设备消除静电→开启人孔盖、插入鹤管→启动输送泵→计量控制装车，由库区储罐抽入罐车；计量控制卸车，由罐车抽入库区储罐→关闭输送泵→抽出鹤管、关紧人孔盖→撤除防护、车辆牵出装卸线→车辆牵至停车线待命、设置防护。

（4）危险性分析。在专用线易燃易爆危险品装卸作业过程中，存在一般作业场所具有的电气伤害、车辆伤害、机械伤害、高空坠落、物体打击等危险因素，更为重要的是，由于操作的物质具有易燃易爆性、毒性和腐蚀性，作业过程中还存在导致火灾爆炸、中毒和腐蚀灼伤事故的危险有害因素。以下主要研究燃烧爆炸事故后果。

3 蒸气云爆炸事故后果模型

3.1 爆炸的形成分析

甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3种易燃易爆液体，在运输装卸作业过程中有两种状态：①相对静止状态，即整车装载状态；②装卸作业时的流动状态，此时液体处于罐车、管线、泵房和储罐组成的工艺系统中。无论哪种状态都有可能因意外原因导致危险物品失控，发生泄漏，形成燃烧爆炸的条件之一。由于装卸作业时液体流经众多设备且管线分布范围广，作业过程持续时间较长，操作方式属于间歇作业，相对整车装载状态而言，液体失控、泄漏的可能性更大。易燃液体一旦发生泄漏，就直接暴露在空气中。空气中含氧量较大，有很强的助燃性，此时易燃液体遇明火即会燃烧。并且泄漏的易燃液体不断挥发出可燃气体，当其与空气的混合比例达到爆炸下限浓度时，遇火花即能爆炸。

蒸气云爆炸是由于以“预混云”形式扩散的蒸气云遇火后在某一有限空间发生爆炸导致的。泄漏的易燃液体若未发生沸腾液体膨胀蒸气云爆炸现象或立即引发大火，低沸点组分就会与空气充分混合，在一定范围聚集形成预混蒸气云。如果在稍后某一时刻遇火点燃，由于气液两相物质已经与空气充分混合均匀，一经点燃其燃烧过程极为剧烈，火焰前沿速度可达 50～100 m/s，形成爆燃，对蒸气云覆盖范围内的建筑物及设备产生冲击波破坏，危及人们的生命安全[2]。

3.2 爆源的 TNT 当量计算

蒸气云爆炸产生的冲击波超压是其主要危害。冲击波超压可以将事故爆炸产生的爆炸能量等同于一定当量的 TNT，也可以根据爆炸能量直接计算。本文采用 TNT 当量系数法计算易燃液体爆炸产生的能量，计算公式为[3]：

式中：WTNT为易燃液体TNT当量 (kgTNT)；Wf为易燃液体泄漏质量 (kg)；Q f为易燃液体燃烧热(MJ/kg)；QTNT为TNT爆热，4.52 MJ/kg；a为蒸气云当量系数，通常取 0.04；1.8 为地面爆炸系数。

3.3 冲击波伤害模型

冲击波伤害模型是将冲击波超压的破坏范围进行人员伤害分区和财产损失分区，即有死亡区、重伤区、轻伤区和安全区[4]，相应的用死亡半径、重伤半径、轻伤半径表示。死亡半径、重伤半径、轻伤半径均可根据计算公式得出结果，爆炸产生的冲击波随距离的变化情况是难以预知的，某一点的冲击波超压也不得而知。因此，利用 MATLAB 对死亡半径、重伤半径、轻伤半径计算公式进行编程化，减小计算工作量，并形成冲击波超压—距离模型，方便计算和分析。

死亡半径R1(超压值90 000 Pa) 的计算公式[3]：

在得到云团中燃料质量的情况下，可按下式直接计算爆炸冲击波超压。

式中：Δps为冲击波正相最大超压 (Pa)；Z为无量纲距离；Pa为环境压力；R为目标到爆源的水平距离 (m)；E为爆源总能量 (J)；W为蒸气云中对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量 (kg)；Qc为燃料的燃烧热 (J/kg)。

重伤半径R2波面冲击波超压ΔPs＝44 000 Pa和轻伤半径R3波面冲击波超压ΔPs＝17 000 Pa 为已给定值，根据其可以计算出重伤半径和轻伤半径，但计算颇为复杂。

4 蒸气云爆炸后果模拟

4.1 MATLAB 简介

MATLAB 是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，是美国MathWorks公司的商业数学软件。MATLAB 广泛用于算法开发、数据可视化、数据分析，以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，其应用范围包括信号与图像处理、通讯、控制系统设计、测试与测量、财务建模与分析，以及计算生物学等众多领域，其附加工具箱(单独提供的专用 MATLAB 函数集) 扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB 语言结构简单，能大大简化计算过程，同时支持三维动画，特别适用于工程模拟。MATLAB 强大的计算和绘图能力，能大量简化事故后果的计算分析，也能通过各种图形比较直观地反映分析结果[5]。

4.2 后果模拟的实现

假设某公司专用线有一节满载甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液罐车装卸时全部泄漏，罐车型号为G60，按最大充装系数 0.95 充装，不得超过标记容积 60 m3。3 种物质的燃烧热值如表1所示。

（1）TNT当量值计算及图形结果。利用以上基本条件，根据公式⑴和公式⑵，用 MATLAB 编程计算可以得到3种物质蒸气云爆炸能量和死亡半径，并画出直方图进行比较，如图1所示。

表 1 易燃液体燃烧热值表

图 1 3 种物质蒸气云爆炸当量值及死亡半径比较图

（2）冲击波影响范围后果模拟。在 MATLAB 环境中，根据公式⑶编程得到冲击波超压与距离的关系如图2所示，可以通过计算或在图中直接读出重伤半径和轻伤半径。

图2 冲击波超压与距离的关系图

5 结果分析

从图1可以直接读出甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3种物质的 TNT 当量和死亡半径，经比较，TNT 当量由大到小的排序为：WTNT丙烯酸甲酯＞WTNT甲醇＞WTNT甲醛溶液；死亡半径由大到小的排序为：R1丙烯酸甲酯＞R1甲醇＞R1甲醛溶液。由此可知，一辆满载丙烯酸甲酯罐车的 TNT 当量最大，相应的死亡半径也最大。根据表征最大可能危险的原理，建立爆炸模型时应选取一辆满载 TNT 当量最大物质的罐车，以表征爆炸事故的最严重程度，即选取单辆满载丙烯酸甲酯罐车的死亡半径 52.00 m 作为装卸区的死亡半径。

由图2可以直接、清晰地看出甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3种物质发生蒸气云爆炸时冲击波超压随距离的变化情况，利用 MATLAB 图形工具 data cursors 可以读出任意距离上的冲击波超压，根据重伤半径R2波面冲击波超压 (ΔPs＝44 000 Pa) 和轻伤半径R3波面冲击波超压 (ΔPs＝17 000 Pa)，读出3种物质的重伤半径和轻伤半径，如表2所示。其结果与实际情况相符。

表 2 3 种物质的重伤半径和轻伤半径

6 结束语

利用 MATLAB 软件不仅能快速和精确地完成复杂的计算和分析，而且依靠其绘图功能能将事故后果的计算结果多样化地表示出来，有利于安全评价人员和企业安全工作者比较直观与迅速地判断事故后果的伤害区域，能够更好地完善安全评价结果，为企业安全管理和应急管理提供准确的依据。另外，根据事故后果计算中不同的精确度要求，安全人员可以自主调节步长，以达到更好的计算和模拟效果。

[1] 艾唐伟，陆愈实，徐小贤. MATLAB 在储罐区蒸气云爆炸分析中的运用[J]. 工业安全与环保，2009，35(2)：31-32.

[2] 魏伴云. 火灾与爆炸灾害安全工程学[M]. 武汉：中国地质大学出版社，2004.

[3] 国家安全生产监督管理总局. 重大危险源分级标准(征求意见稿)[S]. 国家安全生产监督管理总局协调函[2007]7号，2007.

[4] 王 颖，伍 颖，陈宁宁，等. 基于 MATLAB 平台的凝聚相爆炸模型的分析与程序实现[J]. 工业安全与环保，2009，35(11)：38-40.

[5] 张瑞华，陈国华，颜伟文，等. 基于 MATLAB 技术的 LPG储罐重大事故动态模拟评价系统开发与应用[J]. 工程设计学报，2007，14(3)：220-225.